JP6848922B2 - 炉体保護用ステーブの取付け構造 - Google Patents

Description

本発明は、高温に曝される高炉などの冶金炉の炉壁を保護するために用いられる炉体保護用ステーブの取付け構造に関する。

従来、高炉などの炉体では、炉内熱負荷から保護するために、炉体冷却装置（以下、「ステーブ」という）が使用されている。そのステーブは、鋳鉄や圧延銅、鋳物銅などで製作され、ステーブ本体内には冷却用水路が形成されている。近年、高炉炉体の高熱負荷に対応すべく、より冷却能力の高いステーブが求められており、その結果として熱伝導率の高い銅製のステーブの採用が増えてきている。

このような炉体保護用のステーブは、高炉炉体の内側に炉体鉄皮とボルトとを使用して固定取付けされている。図６はその固定構造の一例を示しており、例えばステーブ本体５１は、高炉炉体の鉄皮６１にボルト５２とナット５３とを使用してねじ止めにより固定されている。そして、ステーブ本体５１の給排水用配管５４−１、５４−２は、高炉炉体の鉄皮６１に開けられた穴６２を貫通して設けられており、給排水用配管５４−１、５４−２を介して炉体外側より給水、排水される。

前記ステーブの破損の原因は、そのほとんどが高炉内での繰り返し熱負荷による冷却系統からの水漏れである。とくに近年では、微粉炭吹込みの増加で炉体への熱負荷が格段に上がり、設計段階で想定し期待していた寿命よりも早くステーブの破損が発生している。このようなステーブの破損に起因する炉内浸水は高炉の安定操業を阻害する。そのため、操業中に水漏れが確認された場合は、ステーブ内を循環させている冷却水の停止を行っている。この冷却水の停止により、ステーブは炉内の高温と原料による摩耗に曝されるため、ステーブ本体そのものが短期間で消失してしまう。しかも、ステーブの消失（冷却機能の消失）によって、今度は高炉の鉄皮が高温に直接曝されるようになり、鉄皮亀裂やその熱変形を招き、高炉操業そのものの継続が困難になってしまう。

即ち、高熱負荷によるステーブ変形と炉内高温ガスに曝されることによる配管破損が原因となるステーブの水漏れなどは、ステーブ本体の給排水口と配管との溶接接合部に亀裂が発生して起きるケースが多いと推定されている。

ステーブ本体の給排水口と配管との溶接接合部に亀裂が発生して起きる水漏れに対しては、例えば特許文献１に開示されているような、いわゆる高炉鉄皮外面のガスシール金物をベローズ構造にするものなどが提案されている。しかし、この提案では、配管の自由度を確保するために配管の周囲を耐火物で充填するようなことはできなかった。そのため、配管は、炉内高温ガスに直接曝されるために機械的性質が低下し、操業変動による熱疲労などで結果的には破損することが多かった。しかも、この場合、ステーブの背面側（配管がある側）に炉内ガスが流れる裏風を生じさせ、配管に悪影響を及ぼすだけでなくステーブ本体を両面から加熱することにつながるため、さらなる機械的性質の低下と変形を助長していた。

特開昭５０−６０４０８号公報

上記特許文献１における上記課題を克服する方法として、図７に示すように、配管部の鉄皮とステーブとの間にガスを遮断するための鋼製リングを設置することが考えられる。例えば、図７において、７１は、給排水用配管５４−１の外側にあって鉄皮６１の内側面とステーブ本体５１の外側面との間に設けられた鋼製リング、７２は、給排水用配管５４−１の外側にあって鉄皮６１の外面と給排水用配管５４−１との間に設けられたベローズ管、７３は、給排水用配管５４−１の周囲であって、鉄皮６１の内面と鋼製リング７１の端部との間に設けられたシールゴムである。

前記鋼製リング７１は、鉄皮６１にステーブ本体５１を取付ける際に鉄皮６１とステーブ本体５１との隙間を適正に保つだけでなく、鉄皮６１とステーブ本体５１との間に充填される耐火物を遮断し、給排水用配管５４−１が自由に動ける空間を確保する役割も兼ねている。

しかしながら、この鋼製リング７１では、図８に示すように、鉄皮６１にステーブ本体５１を設置するときに、それぞれの製作、据付誤差のため鉄皮６１と鋼製リング７１との間の耐火物８２の部分にどうしても隙間８１ができ、耐火物遮断と炉内高温ガスの遮断が難しくなるという問題があった。この隙間を無くすために、シリコンゴムなどのシールゴム７３が設けられているが、耐熱性が低く、長期間の操業では消失してしまう。また、図９に示すように、ステーブ本体５１そのものが炉内からの熱負荷により変形するために、隙間８１を大きくし、給排水配管５４−１が炉内の高温ガスに曝される可能性が高くなるという問題があった。

本発明の目的は、給排水用配管およびステーブ本体への裏風による高温ガスの悪影響を防ぐことができ、ステーブ破損を防止することができる炉体保護用ステーブの取付け構造を提供することにある。

従来技術が抱えている前述の課題を解決し、前記の目的を実現するために鋭意研究した結果、発明者らは、以下に述べる新規な炉体保護用ステーブの取付け構造を開発するに到った。即ち、本発明は、冶金炉の炉体鉄皮の内側に配設される炉体保護用ステーブの取付け構造であって、炉体鉄皮の内面とこれと対向する炉体保護用ステーブの外側面との間に、該炉体保護用ステーブから該炉体鉄皮に向けて延びかつこれを貫通するように設けられた冷却配管を取り囲む鋼製のベローズ管を介在させたことを特徴とする炉体保護用ステーブの取付け構造である。

なお、前記のように構成される本発明に係る炉体保護用ステーブの取付け構造においては、
（１）前記鋼製のベローズ管は、非熱処理ステンレス鋼であること、
（２） 前記鋼製のベローズ管は、前記炉体保護用ステーブの外側面に固定されていること、
（３）前記鋼製のベローズ管は、前記炉体鉄皮の内面と鋼製のベローズ管の端部との間にシールゴムが介在させてあること、
（４）前記炉体鉄皮外面と前記冷却配管とは、シール構造が、ベローズ型リング構造、保護管と平板型コンペンセータとからなる構造、保護管とボックス型コンペンセータとからなる構造、のいずれか１つのシール構造を有すること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

本発明に係る炉体保護用ステーブの取付け構造によれば、従来の炉体鉄皮と炉体保護用ステーブとの間に鋼製リングを介在させるのに代え、伸縮可能な鋼製のベローズ管を介在させた構成とすることにより、裏風による冷却配管およびステーブ本体に高温ガスが直接曝されることを防ぐことができる。そのため、本発明によれば、ステーブの破損防止に有効に寄与することができる。また、前記鋼製のベローズ管がステーブ本体の変形に追従して動くため、冷却配管にかかる負荷が抑えられ、しかもステーブ交換時の耐火物侵入をも防止して、シール性能を向上させることができる。

本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造の一例を示す図である。 本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造の他の例を示す図である。 本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造を用いた冷却配管シール構造の一例を示す図である。 本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造を用いた冷却配管シール構造の他の例を示す図である。 本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造を用いた冷却配管シール構造のさらに他の例を示す図である。 従来例における炉体保護用ステーブを炉体鉄皮に固定する方法を説明する図である。 従来の炉体保護用ステーブの取付け構造の一例を説明するための図である。 図７に示す従来の炉体保護用ステーブの取付け構造における問題点の一例を説明する図である。 図７に示す従来の炉体保護用ステーブの取付け構造における問題点の他の例を説明する図である。

図１は、本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造の一例を示す図である。図１に示す例において、炉体鉄皮１の内面とこれと対向する炉体保護用ステーブ２の外側面（炉外側）との間に、炉体保護用ステーブ２から炉体鉄皮１に向けて延びると共に炉体鉄皮１の貫通孔３を貫通して炉体鉄皮１の外側に延びるように設けられた冷却配管４を取り囲むように、鋼製のベローズ管５を介在させた点に、本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造の特徴がある。なお、符号６は、炉体鉄皮１と炉体保護用ステーブ２との間に充填されている不定形耐火物である。また、一般にステーブの炉内側にも不定形ないし定型の耐火物９が配置される。

図１に示す本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造では、従来の鋼製リングに代わって、伸縮可能な鋼製のベローズ管５を、炉体鉄皮１の内面と炉体保護用ステーブ２の外側面との間であって、炉体保護用ステーブ２から延び炉体鉄皮１に設けた貫通孔３を貫通するように配設された冷却配管４を包囲するように設けられた構造であり、例えば、炉体保護用ステーブ２が炉内の熱により変形したような場合でも鋼製ベローズ５がその変形によく追従して動くため、炉体保護用ステーブ２の変形などに起因するいかなる隙間発生にもよく対応する。その結果、裏風（ステーブの背面側（配管がある側）に炉内ガスが流れる）の発生による冷却配管４および炉体保護用ステーブ２への高温炉内ガスの暴露を防止することができる。

また、本発明においては、冷却配管４を鋼製のベローズ管５で包囲することで、炉体保護用ステーブ２の取替時の不定形耐火物６の侵入をも防止してシール性を向上させる上でも有効である。その理由は、ステーブ取替時には、既設ステーブを取り外した後、鉄皮側に耐火物が残り、この耐火物をきれいに取り除くことができないため、伸縮できない鋼製リングでは残存した耐火物と鋼製リングの間に隙間が残ってしまうためである。これに対し、伸縮可能なベローズ管の端面はベローズ管の伸張力によって残存する耐火物に押し付けられるため、隙間ができにくい。

本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造において、鋼製のベローズ管５は、耐熱性の高い各種ステンレス鋼を用いる。また、この鋼製のベローズ管５は、外力が加わったときに軸方向の伸び、縮み変形のみならず軸直角方向にも変形が可能で、曲げや芯ずれの吸収の可能なユニバーサルタイプのものが好ましく、当然のことながら、外力を取り除いたときに速やかに元の形状および寸法に戻る性質を有するものが望ましい。この観点において、例えば熱処理を施していない、耐食性に優れたステンレス鋼を用いることが好ましい。一般に、ステンレス鋼などの鋼製のベローズは、加工後に応力除去等を目的とした熱処理を行うが、ベローズに加工した後に熱処理を行わないことで、剛性を維持した状態のベローズを得ることができる。ベローズの軸方向のバネ定数としては２０〜１００Ｎ／ｍｍ程度が好ましく、４０〜６０Ｎ／ｍｍ程度であることがより好ましい。

また、炉体保護用ステーブ２の炉体鉄皮１への組み付けに際しては、例えば炉体保護用ステーブ２のボルトを炉体鉄皮１の外側からナットにより締結して固定する。この際、鋼製のベローズ管５が縮むことにより、炉体保護用ステーブ２の裏面と炉体鉄皮１の内面とに向けて反力が生じるため、これらの接触部分におけるシール性をより向上させることができる。

さらに、１つの炉体保護用ステーブ２には複数の冷却配管４が存在する他、炉体には複数の炉体保護用ステーブ２が存在するが、この場合、本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造をすべての冷却配管４やすべての炉体保護用ステーブ２に適用する必要はなく、熱負荷の大小に応じて、一部の冷却配管４および一部の炉体保護用ステーブ２にのみ適用することもできる。

さらにまた、鋼製のベローズ管５の伸縮可能量は、特に限定されるものではないが、炉内の熱による炉体保護用ステーブ２の変形を有限要素法を用いて解析した結果、ベローズは取り付けた位置から３０ｍｍ程度の範囲の変形に追従できるものであることが好ましい。もちろん、炉体保護用ステーブ２の寸法や形状などにより、必要となる伸縮可能量が変わることは言うまでもない。

図２は、本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造の他の例を示す図である。図２に示す例において、鋼製のベローズ管５の一端部は炉体保護用ステーブ２に溶接固定されている。このような構成とすることにより、鋼製のベローズ管５のハンドリングや据付時の脱落防止が可能となり、本発明取付け構造のシール性の向上を図ることができる。また、図２に示す例では、鋼製のベローズ管５の他端部と炉体鉄皮１内面または炉体鉄皮１の内面の不定形耐火物６との隙間には、シリコンゴムなどの耐熱性シール材７を設けている。このように構成することにより、鋼製のベローズ管５のシール性を更に高めることができる。さらに、鋼製のベローズ管５の内側にセラミックウールなどの断熱材８を充填した場合には、冷却配管４を高温ガスから防護することができる。以上の構成をとることで、冷却配管４を炉内高温ガスからの直接的な暴露から保護することができ、より好適に冷却配管４の破損を防止し、その結果、より好適に炉体保護用ステーブ２の破損を防止することができる。

図３〜図５は、それぞれ、本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造を用いた具体的な冷却配管のシール構造の一例を説明する図である。なお、図３〜図５に示す例において、図１および図２と同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図３は、鋼製のベローズ管５によるシール構造に加えて、炉体鉄皮１の裏面と冷却配管４との間であって冷却配管４の周囲にベローズリング１１を設けたベローズ型リング構造により、冷却配管４のシール構造とした例である。

図４は、鋼製のベローズ管５によるシール構造に加えて、炉体保護用ステーブ２の外側面と冷却配管４との間であって冷却配管４の周囲に設けた保護管１２と、炉体鉄皮１の外面と保護管１２との間であって冷却配管４の周囲に設けた平板型コンペンセータ１３とにより、冷却配管４のシール構造とした例である。

図５は、鋼製のベローズ管５によるシール構造に加えて、炉体保護用ステーブ２の外側面と冷却配管４との間であって冷却配管４の周囲に設けた保護管１２と、炉体鉄皮１の外面と保護管１２との間であって冷却配管４の周囲に設けたボックス型コンペンセータ１４とにより、冷却配管４のシール構造とした例である。

上述した例のうち、図４に示す平板型コンペンセータ１３や図５に示すボックス型コンペンセータ１４を用いた構造の場合、冷却配管４の動きをある程度制限することとなるが、これらの場合でも、鋼製のベローズ管５と組み合わせて用いることで、ガス遮断を効果的に果たすことができる。

本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造によれば、冷却配管の破損による炉体保護用ステーブの早期破損を防ぐことができるため、炉体保護用ステーブおよび炉本体の長寿命化を達成することができる。例えば、鋼製のベローズ管を用いない従来例では炉体保護用ステーブの早期破損による取替が数年で発生すると仮定すると、本発明の炉体保護用ステーブの取付け構造を用いれば、１０年以上は取替が発生せず、健全な状態を維持できると考えられる。

本発明に係る炉体保護用ステーブの取付け構造は、銅製のステーブに対して特に有効であるが、その他のステーブ、例えば、鋳鉄製ステーブにも適用が可能である。また、本発明に係る炉体保護用ステーブの取付け構造は、高温に曝されるステーブの冷却配管の破損を効果的に防止できるため、高炉以外の他の加熱炉などにおいても、高温に曝される炉壁内部の保護のための構造として有効である。

１ 炉体鉄皮
２ 炉体保護用ステーブ
３ 貫通孔
４ 冷却配管
５ 鋼製のベローズ管
６ 不定形耐火物
７ シール材
８ 断熱材
９ 耐火物
１１ ベローズリング
１２ 保護管
１３ 平板型コンペンセータ
１４ ボックス型コンペンセータ

Claims (4)

1. 冶金炉の炉体鉄皮の内側に配設される炉体保護用ステーブの取付け構造であって、炉体鉄皮の内面とこれと対向する炉体保護用ステーブの外側面との間に、該炉体保護用ステーブから該炉体鉄皮に向けて延びかつこれを貫通するように設けられた冷却配管を取り囲む鋼製のベローズ管を介在させたことを特徴とする炉体保護用ステーブの取付け構造。
2. 前記鋼製のベローズ管は、非熱処理ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の炉体保護用ステーブの取付け構造。
3. 前記鋼製のベローズ管は、前記炉体保護用ステーブの外側面に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の炉体保護用ステーブの取付け構造。
4. 前記鋼製のベローズ管は、前記炉体鉄皮の内面と鋼製のベローズ管の端部との間にシールゴムが介在させてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉体保護用ステーブの取付け構造。

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